燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用低效率运转对燃料电池进行预热的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是通过使燃料利用电化学过程而氧化，从而将伴随氧化反应所释放的能 量直接变换成电能的发电系统，具有层叠多个膜_电极组件而成的堆叠结构，所述膜_电极 组件利用由多孔质材料构成的一对电极夹持用于选择性地输送氢离子的电解质膜的两侧 面而形成。其中，将固体高分子膜作为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池成本低 且易小型化，并且具有较高的输出密度，所以被期待用作车载电力源。 这种燃料电池通常将70 8(TC视为发电最佳的温度区域，但在寒冷地区等环境 中，从起动之后直到达到最佳温度区域有时需要较长时间，因此研究了各种预热系统。例 如，在(日本)特开2002-313388号公报中公示了 通过实施发电效率低于通常运转的低效 率运转来控制燃料电池的自身发热量，并在车辆行驶中对燃料电池进行预热的方法。该方 法是将燃料电池的输出电压设定为比基于其I-V特性(电流对电压特性)的电压值低的电 压值，使燃料电池的热损耗增大而实施基于自身发热的预热运转，所以不需要搭载预热用 的装置，便利性优良。 专利文献1 :(日本)特开2002-313388号公报 然而，优选在车辆行驶中的低效率运转中，将燃料电池的输出电压固定为比基于
其i-v特性的电压值低的一定的电压值，并且根据要求电力可变地控制向燃料电池供给的
氧化气体流量。这时的燃料电池的输出电压被设定为可以实现迅速的预热运转、并且能够 得到车辆行驶中最低限度所需的电动机输出的一定的电压值。在此，将燃料电池的输出电 压固定为一定的电压值的理由是从在预热运转时使发电效率降低的观点来看，在对燃料电
池的输出电压以比基于燃料电池的i-v特性的电压低的电压进行运转控制的情况下，当燃
料电池的输出电压变动(升压或降压)时，会产生来自燃料电池内部寄生性地形成的电容 成分的电力的充放电，在从燃料电池向外部负载(牵引电动机或车载辅机类等)所供给的 电力方面产生过量或不足。 另一方面，在(日本)特开2002-313388号公报公开的方法中，作为在预热运转时 使燃料电池的发电效率降低的补偿，使燃料电池的输出也降低，所以不能实施与要求电力 相适的输出控制。为了解决这样的问题，在车辆行驶中的低效率运转中，将燃料电池的输出
电压固定为比基于燃料电池的i-v特性的电压值低的一定的电压值，并且根据要求电力可
变地控制向燃料电池供给的氧化气体流量即可。 但是，在将燃料电池系统作为车载电源的燃料电池车辆中，存在利用空气压縮机 向燃料电池供给氧化气体的情况。空气压縮机中安装的驱动电动机采用响应性良好的电动 机，油门开度急剧增大时的空气压縮机的响应性良好。但对于空气压縮机而言，其现状是， 往往没有搭载制动器等减速装置，所以油门开度急剧减少时的响应性差，转速因惯性而减 小。
因此，在车辆行驶中的低效率运转时，即使油门开度急剧减小，因不能急剧地减小 向燃料电池的氧化气体流量，所以产生将超过发电指令值的剩余电力充电。虽然向蓄电池 充电该剩余电力，但是担心在由于低温环境下蓄电池的充电能力降低的情况下，导致蓄电 池的过度充电。

发明内容
于是，本发明的课题是提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统可以进行控制以 使在低效率运转时对燃料电池的要求电力急剧减少时，不向外部负载供给剩余电力。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池，接受反应气体的供给 而进行发电；预热装置，利用与通常运转相比发电效率较低的低效率运转来对燃料电池进 行预热；及控制装置，在实施低效率运转期间向燃料电池的发电指令值急剧减少时，通过使 燃料电池的输出电压升压，将超过发电指令值的剩余电力充电于燃料电池的电容成分。
根据这样的结构，在低效率运转中发电指令值急剧减少时，可以将超过发电指令 值的剩余电力充电于燃料电池的电容成分，所以可以抑制从燃料电池向外部负载的剩余电 力供给。 在此，所谓燃料电池的电容成分，是指燃料电池的催化剂担载体的双电层电容成 分和催化剂的氧化还原反应所产生的视在电容成分。另外，所谓低效率运转是指在具有比 由燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值低的电压值的运转点进行电池运转。
本发明的燃料电池系统也可以还具备映射数据，表示电容成分的相对于电压的 电容值；和校正装置，基于所述电容成分的实测值校正所述映射数据，所述电容成分的实测 值由所述燃料电池的输出电流除以所述燃料电池的输出电压在单位时间内的变化而得到。
已知燃料电池的电容成分在持续长时间使用时，因催化剂氧化等，会发生时效老 化。以电容成分的实测值为基础，校正表示电容成分的相对于电压的电容值的映射数据，从 而可以高精度地将剩余电力充电于电容成分。 本发明的燃料电池系统可以还具备发电指令装置，在实施低效率运转期间针对燃 料电池的运转负荷急剧减少时，使发电指令值缓和地减少以使燃料电池的发电量和发电指 令值之间的差分变小。 通过使发电指令值缓和地减少以使燃料电池的发电量和发电指令值之间的差分 变小，可以尽量减少剩余电力，减小向燃料电池的外部负载供给的发电量和发电指令值之 间的偏差。 优选在为了将剩余电力充电于电容成分而指定的运转点具有比由通常运转时的 燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值高的电压值的情况下，由于意味着运转点偏 离低效率运转区域，所以控制装置从低效率运转切换为通常运转。 优选在从低效率运转切换为通常运转时，控制装置通过向燃料电池供给比与发电 指令值相适的反应气体供给量多的反应气体，强制性地生成剩余电力，使燃料电池的输出 电压升压来将所述剩余电力充电于电容成分。 为了从低效率运转切换为通常运转，需要使燃料电池的运转点从低效率运转区域 移至根据电流对电压特性曲线确定的运转点(提高运转点的电压值)。这时，通过趋于过剩 地向燃料电池供给反应气体，强制性地生成剩余电力，使燃料电池的输出电压升压而将所述剩余电力充电于电容成分，由此能够不会使向燃料电池的外部负载供给的电力导致变动 地从低效率运转切换为通常运转。


图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图；图2是单体电池的分解立体图；图3是燃料电池组的C-V特性图；图4是燃料电池组的等效电路图；图5是燃料电池组的运转点的说明图；图6是表示AV控制的控制过程的时序图；图7是表示AV控制的控制过程的时序图；图8是表示用于从低效率运转切换为通常运转的控制过程的时序图；图9是用于计算在AV控制时燃料电池组的电压指令值的功能方框图；图10是寄生性地存在于燃料电池组中的电容成分的映射数据；图ll是用于校正寄生性地存在于燃料电池组中的电容成分的映射数据的方框图。
具体实施例方式
下面，参照各图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。 燃料电池系统10作为燃料电池车辆上所搭载的车载电源系统起作用，具备接受 反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池组20、用于向燃料电池组 20供给作为氧化气体的空气的氧化气体供给系统30、用于向燃料电池组20供给作为燃料 气体的氢气的燃料气体供给系统40、用于控制电力的充放电的电力系统50、用于对燃料电 池组20进行冷却的冷却系统60、及控制系统整体的控制单元(ECU) 70。
燃料电池组20是将多个单体电池串联层积而成的固体高分子电解质型电池组。 在燃料电池组20中，在阳极产生(1)式的氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。燃料 电池组20整体产生(3)式的起电反应。 H2 — 2H++2e—...... (1) (l/2)02+2H++2e—— H20...... (2) H2+(l/2)02 — H20...... (3) 在燃料电池组20上安装有用于检测燃料电池组20的输出电压的电压传感器71 以及用于检测发电电流的电流传感器72。 氧化气体供给系统30具有流过向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体的氧化气 体通路34、及流过从燃料电池组20排出的氧化废气的氧化废气通路36。在氧化气体通路 34上设置有通过过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压縮机32、用于对向燃料电池组 20的阴极供给的氧化气体进行加湿的加湿器33、及用于调整氧化气体供给量的节流阀35。 在氧化废气通路36上设置有用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀37、及用于在氧化 气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的加湿器33。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41 ;流过从燃料气体供给源41向燃 料电池组20的阳极供给的燃料气体的燃料气体通路45 ;用于使从燃料电池组20排出的燃 料废气返回到燃料气体通路45的循环通路46 ;用于将循环通路46内的燃料废气压送至燃 料气体通路43的循环泵47 ;及与循环通路47分支连接的排气排水通路48。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、贮氢合金等构成，贮存高压(例如，35MPa 70MPa)的氢气。打开截止阀42时，燃料气体从燃料气体供给源41流向燃料气体通路45。 燃料气体通过调节器43和喷射器44，减压至例如200kPa左右而供给到燃料电池组20。
另外，燃料气体供给源41的构成也可以为，包括从烃类的燃料生成富氢的改性气 体的改性器、和使利用该改性器生成的改性气体成为高压状态而蓄压的高压气体罐。
调节器43是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力的装置，例 如，由使一次压力减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有隔着隔膜而形成背 压室和调压室的壳体，具有利用背压室内的背压在调压室内将一次压力减压到规定的压力 而作为二次压力的构成。 喷射器44是电磁驱动式的开闭阀，其可以利用电磁驱动力直接以规定的驱动周 期驱动阀芯远离阀座，从而调整气体流量及气体压力。喷射器44具备阀座，所述阀座具有 喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔，并且具备将该气体燃料供给导向至喷射孔的喷嘴体、 和相对该喷嘴体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地被收容保持并开闭喷射孔的阀芯。
在排气排水通路48上配设有排气排水阀49。排气排水阀49按照来自控制器70 的指令进行动作，由此将循环通路46内的含有杂质的燃料废气和水分向外部排出。通过排 气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料废气中的杂质的浓度下降，从而可以提高循环于 循环系统内的燃料废气中的氢浓度。 经由排气排水阀49排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，通 过稀释器(未图示)被稀释。循环泵47通过电动机驱动来向燃料电池组20循环供给循环 系统内的燃料废气。 电力系统50具备DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引电动机54及 辅机类55。 DC/DC转换器51具有将从蓄电池52供给的直流电压升压而向牵引变换器53 输出的功能；和使燃料电池组20发电的直流电力或牵引电动机54通过再生制动而再生的 再生电力降压，来充电于蓄电池52的功能。利用DC/DC转换器51的这些功能，对蓄电池52 的充放电进行控制。另外，通过DC/DC转换器51的电压变换控制，来控制燃料电池组20的 运转点(输出电压、输出电流)。 蓄电池52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随燃料电池 车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓存器起作用。作为蓄电池52，最佳的是例如镍/ 镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等的二次电池。 牵引变换器53例如是用脉冲宽度调制方式驱动的P丽变换器，按照来自控制器70 的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵 引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动 力源。 辅机类55是配置于燃料电池系统10内的各部中的各电动机(例如，泵类等的动 力源)、用于驱动这些电动机的变换器类、还有各种车载辅机类(例如，空气压縮机、喷射
6器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。 冷却系统60具备用于使循环于燃料电池组20内部的制冷剂流动的制冷剂通路 61、62、63、64、用于压送制冷剂的循环泵65、用于在制冷剂和外部气体之间进行热交换的散 热器66、用于切换制冷剂的循环路径的三通阀67及用于检测制冷剂温度的温度传感器74。 在预热运转结束后的通常运转时，开闭控制三通阀67，以使从燃料电池组20流出的制冷剂 流经制冷剂通路61 、64而在散热器66被冷却，其后，流经制冷剂通路63而再次流入燃料电 池组20。另一方面，在系统起动后的预热运转时，开闭控制三通阀67，以使从燃料电池组20 流出的制冷剂流经制冷剂通路61、62、63而再次流入燃料电池组20。 控制器70是具备CPU、R0M、RAM及输入输出接口等的计算机系统，作为用于控制燃 料电池系统10的各部(氧化气体供给系统30、燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却 系统60)的控制装置起作用。例如，控制器70在接收从点火开关输出的起动信号IG时，开 始燃料电池系统10的运转，基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输 出的车速信号VC等求出系统整体的要求电力。 系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的合计值。辅机电力中包括车 载辅机类(加湿器、空气压縮机、氢泵及冷却水循环泵等)所消耗的电力、车辆行驶中需要 的装置(变速机、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、配设于乘员空间 内的装置(空调装置、照明器具及音响等)所消耗的电力等。 而且，控制器70决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，计算发 电指令值，并且控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40以使燃料电池组20的发 电量与目标电力一致。进而，控制器70对DC/DC转换器51进行控制，通过调整燃料电池组 20的输出电压来控制燃料电池组20的运转点(输出电压、输出电流)。控制器70，例如，作 为开关指令，向牵引变换器53输出U相、V相及W相的各交流电压指令值，并控制牵引电动 机54的输出转矩及转速，以得到与油门开度相对应的目标车速。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解立体图。 单体电池21由电解质膜22、阳极23、阴极24、隔板26、27构成。阳极23及阴极 24为从两侧夹持电解质膜22而构成夹层结构的扩散电极。由不透过气体的导电性部件构 成的隔板26、27进而从两侧夹持该夹层结构，并在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气 体及氧化气体的流路。在隔板26上形成有截面凹状的肋26a。阳极23与肋26a抵接，从而 堵住肋26a的开口部，形成燃料气体流路。在隔板27上形成有截面凹状的肋27a。阴极24 与肋27a抵接，从而堵住肋27a的开口部，形成氧化气体流路。 阳极23以担载铂系的金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)的碳粉末 为主要成分，具有与电解质膜22相接的催化剂层23a和形成于催化剂层23a的表面上且兼 有通气性和电子导电性的气体扩散层23b。同样地，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散 层24b。更详细地说，催化剂层23a、24a是使担载了铂或由铂和其他金属构成的合金的碳粉 分散到适当的有机溶剂中，适量添加电解质溶液使之胶化，并在电解质膜22上网板印刷而 成的。气体扩散层23b、24b通过由碳纤维构成的纱线织成的碳布、碳纸、或石墨毡形成，。电 解质膜22是固体高分子材料，例如，是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿 润状态下发挥良好的电传导性。由电解质膜22、阳极23及阴极24形成膜-电极组件25。
图3表示燃料电池组20的C-V特性(循环伏安曲线)。
该C-V特性表示燃料电池组20的动态电特性，使燃料电池组20的电压以一定的 速度升压时，电流沿从外部流入燃料电池组20的方向(负方向)流动，使燃料电池组的电 压以一定的速度降压时，电流沿从燃料电池组20向外部流动的方向(正方向)流动。判明 这种动态电特性是由燃料电池组20的催化剂担载体的双电层电容成分和催化剂的氧化还 原反应所产生的视在电容成分引起的。 图4是将燃料电池组20的动态电特性模型化后的等效电路图。
燃料电池组20具有并列连接理想燃料电池28和电容器29而成的电路构成。理 想燃料电池28是将不具备上述的C-V特性的假想的燃料电池模型化而成，在电特性上具有 和可变电源等效的动作。电容器29是将上述界面上所形成的双电层的电动作模型化为电 容元件而成的。外部负载56是将电力系统50模型化后的等效电路。将从理想燃料电池28 流出的电流设为Ifc、将理想燃料电池28的输出电压(燃料电池组20的输出电压)设为 Vfc、将流入电容器29的电流设为Ic、将从燃料电池组20流出至外部负载56的电流设为 Is、将电容器29的电容设为C、将时间设为t时，下面所示的(4) (5)式成立。
<formula>formula see original document page 8</formula> 如(4) (5)式所示，使输出电压Vfc升压时，与单位时间内的变化量A Vfc/ A t 相对应，流入电容器29的电流Ic增加，所以从燃料电池组20流出至外部负载56的电流 Is减少。另一方面，使输出电压Vfc降压时，与单位时间内的变化量AVfc/At相对应，流 入电容器29的电流Ic减少，所以从燃料电池组20流出至外部负载56的电流Is增加。这 样，通过控制输出电压Vfc的单位时间内的升、降压量，可以增加、减少从燃料电池组20流 出至外部负载56的电流Is(下面，为了方便称为AV控制)。 在本实施方式中，在起动燃料电池系统10时的电池组温度低于规定温度(例如 0°C)的情况下，实施车辆行驶中的低效率运转，对燃料电池组20进行预热。所谓低效率运 转是通过将空气化学计量比设定在1. 0附近来控制向燃料电池组20的反应气体供给量，从 而提高发电损耗，以低发电效率进行运转。所谓空气化学计量比是指氧剩余率，表示相对于 与氢恰好充分反应需要的氧，供给氧剩余多少。将空气化学计量比设定得较低而实施低效 率运转时，与通常运转时相比，浓度过电压增大，所以通过氢和氧的反应取出的能量中的热 损耗(发电损耗)增大。低效率运转例如作为用于在低温起动时通过有意识地使热损耗增 大来迅速地对燃料电池组20进行预热的方法，在车辆行驶前的起动准备阶段或车辆行驶 中的预热运转时来实施。 在车辆行驶中的低效率运转中，将燃料电池组20的输出电压固定为比基于所述 I-V特性的电压值低的一定的电压值，并且根据要求电力可变地控制向燃料电池组20供给 的氧化气体流量。在此，将燃料电池组20的输出电压固定为一定的电压值的理由如下使 燃料电池组20的输出电压产生变动时，如(4) (5)式所示，由于燃料电池组20的电容特 性，产生来自电容器29的电力的充放电，从燃料电池组20向外部负载56供给的电力产生 过多或不足。 低效率运转时的燃料电池组20的输出电压被设定为可以实现迅速的预热运转并 且可以得到车辆行驶最低限度需要的电动机输出的电压值。根据早期预热的观点，优选尽 可能低地设定燃料电池组20的输出电压，但过低时存在不能得到车辆行驶所需要的电动机输出的情况，所以优选设定为可以满足预热性能并可以得到车辆行驶时的适度的电动机 输出的电压。在FC输出端具备升压转换器时，没有该限制。 这样，低效率运转时的燃料电池组20的输出电压被固定为一定电压，所以控制器 70通过可变地控制向燃料电池组20的氧化气体供给量，实施与要求电力(油门开度等)相 对应的发电控制。例如，在高负荷时，增大向燃料电池组20的氧化气体流量，在低负荷时， 减少向燃料电池组20的氧化气体流量。但向燃料电池组20供给的燃料气体保持在一定流 另外，直到电池组温度升温至规定温度(例如0°C )为止实施低效率运转，在电池 组温度达到规定温度时，切换为通常运转。
图5表示燃料电池组20的I-V特性。 在通常运转时，为了提高发电效率，以使运转点(输出电流Ifc、输出电压Vfc)位 于I-V特性曲线(电流对电压特性曲线)200上的方式进行运转控制。另一方面，在低效率 运转时，有意识地使发电效率降低而提高热损耗，所以将运转点设定为比I-V特性曲线200 低的电压点，例如，设定为输出电压Vf c = VI 。在低效率运转中，输出电压Vf c被固定为VI ， 所以通过对从空气压縮机32向燃料电池组20供给的空气流量进行控制，来调整输出电流 Ifc，并实施与运转负荷(例如，油门开度)相对应的发电控制。 例如，将车辆利用低效率运转行驶并进行预热运转时的运转点设为0P1(I3， VI)。 即使燃料电池组20的发电指令值由于驾驶员松开油门而急剧减小，空气压縮机32也不能 快速地降低其转速，因此以比与发电指令值相适的转速高的转速暂时继续旋转。这样一来， 产生与燃料电池组20的发电量和发电指令值之间的差分相当的剩余电力。该剩余电力通 过△ V控制使输出电压Vfc从VI升压至V2 (这时，运转点从0P1移动至0P2)，由此可以对 寄生性地存在于燃料电池组20内部的电容器29充电，所以可以使从燃料电池组20向外部 负载供给的电力值和发电指令值大致一致。
另外，在图5中标号300、400分别表示等功率线。
在此，参照图5 图6对A V控制的详细情况加以说明。 作为向燃料电池组20的发电要求急剧减少的例子，在时刻t10 时刻tll期间， 维持踩下油门的状态，假定在时刻tll时松开油门的情况，对AV控制进行说明。
在松开油门的时刻tll，由于燃料电池组20的运转负荷(具体地说是车辆行驶所 需的电力)降低，所以控制器70计算发电指令值Pref，以产生与运转负荷的降低相适的电 力。这时，只要可以产生用于供给车载辅机类等的电力即可，所以发电指令值Pref逐渐降 低。刚到时刻tll前的运转点处于0P1 (13， VI)。 然而，空气压縮机32不具备制动器等减速装置，因此即使在时刻tll松开油门，也 不能立即限制其旋转，在短暂的期间利用惯性继续旋转，向燃料电池组20供给比与发电指 令值Pref相适的氧化气体供给量多的氧化气体。因此，燃料电池组20的发电量Pmes比发 电指令值Pref多，两者的差分Ws为剩余电力。 DC/DC转换器51使燃料电池组20的输出电压Vfc升压A Vfc = (V2-V1)，并将运 转点设定为0P2(I2，V2)。这样一来，剩余电力Ws被充电到燃料电池组20内部的电容成分 即电容器29，所以向燃料电池组20外部输出的电力(Pmes-Ws)和发电指令值Pref大致一 致。
在剩余电力Ws对电容器29的的充电结束的时刻tl2，使输出电压Vfc降压AVfc =(V2-V1)，运转点从0P2 (12， V2)恢复到0P1 (13， VI)。 另外，位于I-V特性曲线200上的运转点0P3(I3，V3)表示输出电流为13时，从燃 料电池组20理论上可以最大限度输出的电压为V3。作为在用于将剩余电力Ws向电容器 29充电的AV控制时使输出电压Vfc升压时的运转点，即使被指令了 0P4' (13，V4)，因燃 料电池组20不能在运转点0P4'运转，所以也会在I-V特性曲线200上的Vfc = V4的运转 点0P4(I1， V4)运转。 运转点通过AV控制移动至I-V特性曲线200上的运转点时，控制器70从低效率 运转切换为通常运转。作为用于从低效率运转切换为通常运转的判定条件，例如以如下情 况作为条件即可AV控制时作为移动点所指定的运转点的电力和AV控制后的实际运转 点的电力之间的差分超过规定的阈值。在上述例子中，AV控制时作为移动点所指定的运转 点0P4' (13，V4)的电力是I3XV4， A V控制后的实际运转点0P4(I1，V4)的电力是I1XV4， 所以两者的差分(13-11) XV4超过规定的阈值时，从低效率运转切换为通常运转即可。另 外，该判定条件相当于后述的图9的Min函数910的功能。
下面，参照图7对A V控制的应用例加以说明。 作为向燃料电池组20的发电要求急剧减少的例子，在时刻t20 t21期间，维持 踩下油门的状态，假定在时刻t21时为松开油门的情况，对AV控制的应用例子进行说明。
在松开油门的时刻t21，针对燃料电池组20的运转负荷急剧减少，所以控制器70 使发电指令值Pref缓和地减少以使与发电量Pmes和发电指令值Pref之间的差分相当的 剩余电力Ws减少。所谓使发电指令值Pref缓和地减少，换句话说，即为将与运转负荷相适 的电力以上的电力设定为发电指令值。在松开油门时，在不影响运转性能的范围内使发电 指令值Pref缓和地减少的方法是所谓被称为油门徐减(7々七A & * L )的技术。通过实 施油门徐减，牵引电动机54的旋转转矩缓慢地减少，所以与发电指令值Pref和发电量Pmes 之间的差分相当的剩余电力Ws极少。 在时刻t21 时刻t22期间，使输出电压Vfc升压AVfc = (V2' -VI)(但是设定 VKV2' 〈V2)，由此可以将该剩余电力Ws充电于燃料电池组20内部的电容器29。即使 DC/DC转换器51的输出电压Vfc的升压动作产生时间延迟，由于将极少的剩余电力Ws进行 充电，用于升压的电压AVfc很小即可，所以更加容易使供给到燃料电池组20的外部负载 56的电力(Pmes-Ws)和发电指令值Pref—致。
另外，对AV控制的另外的应用例加以说明。 因驾驶员从踩下油门转换为松开油门，运转负荷急剧减少时，如上所述的控制器 70使燃料电池组20的输出电压Vfc升压，将剩余电力Ws对电容器29充电，但驾驶员在刚 转换为松开油门后再次转换为踩下油门时，燃料电池组20产生向外部负载56迅速地供给 与发电指令值Pref相适的电力的需要。然而，即使使向燃料电池组20的反应气体供给量 为增量，直至产生与发电指令值Pref相适的电力为止将产生时间性滞后。于是，在这样的 情况下，通过AV控制使燃料电池组20的输出电压Vfc降压，从电容器29输出电力，从而 可以迅速地向外部负载56供给要求电力。 下面，参照图8对从低效率运转切换为通常运转的控制过程加以说明。 低效率运转标志是表示是否实施低效率运转的标志信息，在实施低效率运转时开启，另一方面在没有实施低效率运转时关闭。 在时刻t32以前的期间，控制器70以低效率运转控制电池运转，根据油门开度计 算电流指令值，并控制空气压縮机32的转速以向燃料电池组20供给与该电流指令值相适 的氧化气体。例如，由于在时刻t30踩下油门，所以控制器70对应于油门开度而使电流指 令值增加，提高空气压縮机32的转速以追随该电流指令值的增加。然后，在时刻t31变为 松开油门，所以对应于油门开度而使电流指令值减小，降低空气压縮机32的转速以追随该 电流指令值的减少。 在基于低效率运转的预热运转结束的时刻t32，低效率运转标志从开启切换为关 闭。这样一来，电压恢复处理程序被起动，在时刻t32 时刻t33期间执行电压恢复处理过 程。在电压恢复处理过程中，控制器70以比与对应于油门开度的电流指令值相适的空气压 縮机32的转速快的转速，驱动空气压縮机32，强制性地生成剩余电力。例如，如图8所示， 在松开油门的状态下电流指令值为零，但是控制器70以比与电流指令值为零相适的空气 压縮机32的转速快的转速驱动空气压縮机32。优选强制性地产生的剩余电力量是使燃料 电池组20的运转点0P1通过A V控制移动至I-V特性曲线200上的运转点0P3所必需且 充分的量。 在检测出发电量比发电指令值多(产生剩余电力)时，控制器70实施AV控制，使 燃料电池组20的输出电压Vfc从VI升压至V3，将剩余电力对电容器29进行充电。而且， 控制器70通过判定在AV控制时作为移动点所指定的运转点的电力和AV控制后的实际 运转点的电力之间的差分是否超过规定的阈值，来判定燃料电池组20的运转点是否在I-V 特性曲线200上移动。而且，在判定为燃料电池组20的运转点移动至I-V特性曲线200上 的时刻t33，结束电压恢复处理，切换为通常运转。 由上述说明可以知道，为了将燃料电池系统10的运转模式从低效率运转切换为 通常运转，需要使运转点从低效率运转区域移动至I-V特性曲线200上的运转点(提高运 转点的电压值)。这时，通过向燃料电池组20趋于过剩地供给氧化气体，强制性地产生剩余 电力，使燃料电池组20的输出电压Vf c升压，将该剩余电力充电于电容器29，从而可以不使 向燃料电池组20的外部负载56所供给的电力产生变动地从低效率运转切换为通常运转。
图9是用于计算A V控制时燃料电池组20的电压指令值Vref的功能方框图。
该图所示的各功能方框901 910由控制器70的运算功能来实现，根据单位时间 内充电于电容器29的电力AP，算出单位时间内的上升电压AVfc，求出电压指令值Vref。
FC输出推定功能901基于供给到燃料电池组20的空气流量Qafm、输出电压Vfc， 利用规定的运算式计算理论上的发电电力Pest。 MAX函数902对燃料电池组20的实际发 电电力Pmes和理论上的发电电力Pest进行比较，并将两个电力值中任何大的一个作为输 出值输出。减法功能903是通过从发电指令值Pref中减去MAX函数902的输出值，求出电 力误差AP。 映射数据904储存电容器29的电容值。电容器29是电压依存可变电容的电容 器，所以该电容值依存于输出电压Vfc，输出电压Vfc变动时，电容器29的电容值也变动。 A Vfc计算功能905从减法器903获得A P，并且从映射数据904取得电容器29的电容值 C，按照A Vf c =-Vf c+sqr (Vf c2+2 A P A t/C)计算升压电压AVfc。在此，A t表示运算周 期(采样周期)、AP表示单位时间内充电于电容器29的电力，并且函数sqr是将自变量的
11平方根作为输出值的函数。 延迟功能906存储前一采样的电压指令值Vref。减法功能907通过从延迟功能 906中存储的前一采样的电压指令值Vref减去由A Vfc计算功能905算出的A Vfc (A Vfc 的符号是负，因此实际上加上AVfc)，算出电压指令值。 P-I映射908是表示燃料电池组20的电力和电流间的理论上的对应关系的映射 数据。V-I映射数据909是表示燃料电池组20的电压和电流间的理论上的对应关系的映 射数据。参照这些映射数据908、909，可以取得对应于发电指令值Pref的理论上的电压值 (I-V特性曲线200上的电压值)。Min函数910将经由A Vfc计算功能905算出的电压指 令值和经由上述映射数据908、909算出的、对应于发电指令值Pref的理论上的电压值进行 比较，将二者中小的一个作为电压指令值Vref输出。Min函数910的功能相当于判定在A V 控制时作为移动点所指定的运转点是否移动至I-V特性曲线200上的运转点的判定处理。
另外，控制器70在执行AV控制时，每隔At实施上述的运算，逐次更新电压指令 值Vref。 下面，参照图10 图11说明对保持电容器29的电容值的映射数据904进行校正 的处理的情况。 图10表示保持电容器29的电容值的映射数据904。如上所述的电容器29由于 是电压依存可变电容的电容器，所以具有电容器的电容值依存于输出电压Vfc，按照输出电 压Vfc而改变电容器29的电容值这样的特性。燃料电池组20在氧化电位长时间持续使用 时，由于在催化剂层23a、24a的表面被覆氧化物，因时效老化，C-V特性降低。燃料电池组 20的C-V特性的变化是指在图4所示的等效电路中，电容器29的电容值的变化，所以需要 根据C-V特性的变化对映射数据904进行校正。 图11表示用于对保持电容器29的电容值的映射数据904进行校正的功能方框 图。 在该图中PI控制功能402由控制器70的运算功能来实现。 控制器70分别从电压传感器71、及电流传感器72读取输出电压Vfc及输出电流 Ifc，且在每个规定的运算周期每次算出Ifc/(AVfc/At)的值，从而求出对应于输出电压 Vfc的电容器29的实测电容值401。 PI控制功能402是从映射数据904读取与输出电压 Vfc相对应的电容器29的电容值，对该读取的电容值和实测电容值401之间的差分进行PI 控制，制成误差校正映射数据403。将从映射数据904读取的电容值和从误差校正映射数据 403读取的校正值相加，由此可以求出电容器29的正确的电容值。 另外，在上述的AVfc计算功能905从映射数据904读取电容器29的电容值时， 优选使用由误差校正映射数据403校正后的电容值。 根据本实施方式，在低效率运转中发电指令值急剧减少时，由于可以将超过发电 指令值Pref的剩余电力Ws充电于寄生性地存在于燃料电池组20中的电容器29，所以可以 抑制从燃料电池组20向外部负载56进行的剩余电力供给。 另外，根据本实施方式，具有作为校正单元的误差校正映射数据403，所以可以高 精度地将剩余电力Ws充电于电容器29，所述校正单元基于表示对于电容器29的电压的电 容值的映射数据904和用燃料电池组20的输出电压Vfc的单位时间内的变化去除燃料电 池组20的输出电流Ifc所得到的实测电容值401，对映射数据904进行校正。
另外，根据本实施方式，在进行低效率运转中针对燃料电池组20的运转负荷急剧 减少时，使发电指令值Pref缓和地减少以使燃料电池组20的发电量Pmes和发电指令值 Pref之间的差分变小，所以使剩余电力Ws尽量减少，可以降低供给到燃料电池组20的外部 负载56的发电量(Pmes-Ws)和发电指令值Pref的偏差。 另外，根据本实施方式，能够在为了将剩余电力Ws充电于电容器29而指定的运转 点具有比由通常运转时的燃料电池组20的I-V特性曲线200确定的电压值高的电压值的 情况下，判定为运转点偏离低效率运转区域，且从低效率运转切换为通常运转。
另外，根据本实施方式，能够在从低效率运转切换为通常运转时，通过向燃料电池 组20供给比与发电指令值Pref相适的氧化气体供给量多的氧化气体，强制性地生成剩余 电力Ws，使燃料电池组20的输出电压Vfc升压而将该剩余电力Ws充电于电容器29，所以 能够不会使向燃料电池组20的外部负载56供给的电力产生变动地从低效率运转切换为通 常运转。 在上述的实施方式中示例了将燃料电池系统10作为车载电源系统使用的利用方 式，燃料电池系统10的利用方式并不仅限于该例。例如，也可以将燃料电池系统10作为燃 料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源而搭载。另外，也可以将本实 施方式的燃料电池系统10作为住宅及大楼等的发电设备(定置用发电系统)使用。
产业上的可利用性 根据本发明，在低效率运转中发电指令值急剧减少时，可以将超过发电指令值的 剩余电力充电于燃料电池的电容成分，所以可以抑制从燃料电池向外部负载的剩余电力供给。
权利要求
一种燃料电池系统，具备燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；预热装置，通过与通常运转相比发电效率较低的低效率运转来对燃料电池进行预热；及控制装置，在实施所述低效率运转期间向所述燃料电池的发电指令值急剧减少时，通过使所述燃料电池的输出电压升压，将超过所述发电指令值的剩余电力充电于所述燃料电池的电容成分。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还具备 映射数据，表示所述电容成分的相对于电压的电容值；及校正装置，基于所述电容成分的实测值来校正所述映射数据，所述电容成分的实测值 由所述燃料电池的输出电流除以所述燃料电池的输出电压在单位时间内的变化而得到。
3. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中，还具备发电指令装置，所述发电指令装置在实施所述低效率运转期间针对所述燃料电 池的运转负荷急剧减少时，使所述发电指令值缓和地减少以使所述燃料电池的发电量和所 述发电指令值之间的差分变小。
4. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中，在为了使所述剩余电力充电于所述电容成分而指定的运转点具有比由通常运转时的 所述燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值高的电压值的情况下，所述控制装置从 低效率运转切换为通常运转。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述控制装置在从低效率运转切换为通常运转时，通过向所述燃料电池供给比与所述 发电指令值相适的反应气体供给量多的反应气体，来强制性地生成所述剩余电力，并使所 述燃料电池的输出电压升压以将所述剩余电力充电于所述电容成分。
6. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中，所述低效率运转是指在具有比由所述燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值 低的电压值的运转点进行电池运转。
7. 根据权利要求l所述的燃料电池，其中，所述电容成分是所述燃料电池的催化剂担载体的双电层电容成分和催化剂的氧化还 原反应所产生的视在电容成分。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统若在利用发电效率低于通常运转的低效率运转来对燃料电池进行预热中向燃料电池的发电指令值Pref急剧减少时，则通过使燃料电池的输出电压升压，将与燃料电池的发电量Pmes和发电指令值Pred之间的差分相当的剩余电力Ws向燃料电池的电容成分充电，并使供给到燃料电池的外部负载的电力(Pmes-Ws)和发电指令值Pref一致。由此，能够进行控制以使在低效率运转时对燃料电池的要求电力急剧减少时，不向外部负载供给剩余电力。
文档编号H01M8/10GK101796679SQ20088010502
公开日2010年8月4日 申请日期2008年8月22日 优先权日2007年8月28日
发明者今西启之, 小川朋也, 真锅晃太 申请人:丰田自动车株式会社